SZUKAJ

Czym są reaktory chemiczne? Rodzaje reaktorów chemicznych

Reakcja chemiczna jest procesem, któryprowadzi do transformacji odczynników. Charakteryzuje się zmianami, które powodują, że jeden lub więcej produktów różni się od oryginalnych. Reakcje chemiczne mają inny charakter. Zależy od rodzaju odczynników, otrzymanej substancji, warunków i czasu syntezy, rozkładu, przemieszczenia, izomeryzacji, kwasowości, utleniania, procesów organicznych itp.

Reaktory chemiczne to cysterny,przeznaczone do przeprowadzania reakcji w celu wytworzenia produktu końcowego. Ich konstrukcja zależy od różnych czynników i powinna zapewniać maksymalną wydajność w najbardziej opłacalny sposób.

Rodzaje

Istnieją trzy podstawowe podstawowe modele reaktorów chemicznych:

  • Okresowe działanie.
  • Ciągłe z mieszadłem (HPM).
  • Reaktor z przepływem tłokowym (PFR).

Te podstawowe modele można modyfikować zgodnie z wymaganiami procesu chemicznego.

reaktory chemiczne

Reaktor wsadowy

Chemiczne kruszywa tego typu są stosowane wprocesy okresowe z małymi ilościami produkcji, długim czasem reakcji lub w których lepsza selektywność jest osiągana, jak w niektórych procesach polimeryzacji.

W tym celu, na przykład, pojemnikiStal nierdzewna, której zawartość miesza się z wewnętrznymi ostrzami roboczymi, pęcherzykami gazu lub pompami. Regulacja temperatury odbywa się za pomocą wymienników ciepła, chłodnic chłodzących lub pompowania przez wymiennik ciepła.

Reaktory porcjowania w teraźniejszościczas wykorzystywany jest w przemyśle chemicznym i spożywczym. Ich automatyzacja i optymalizacja stwarzają trudności, ponieważ konieczne jest łączenie ciągłych i dyskretnych procesów.

Połączone reaktory chemiczne w połowie okresupracować w trybach ciągłym i okresowym. Na przykład bioreaktor jest okresowo ładowany i stale uwalnia dwutlenek węgla, który musi być stale usuwany. Podobnie, w reakcji chlorowania, gdy jednym z reagentów jest gazowy chlor, jeśli nie jest on wprowadzany w sposób ciągły, większość odparowuje.

Aby zapewnić duże ilości produkcji, stosuje się głównie reaktory chemiczne o ciągłym działaniu lub zbiorniki metalowe z mieszadłem lub z ciągłym przepływem.

reaktor z mieszaniem

Reaktor zbiornikowy z ciągłym mieszaniem

Zbiorniki ze stali nierdzewnej są dostarczane z ciecząodczynniki. Aby zapewnić odpowiednią interakcję, są one mieszane za pomocą pracujących łopatek. Tak więc, w reaktorach tego typu, reagenty są w sposób ciągły doprowadzane do pierwszego zbiornika (pionowego, stalowego), a następnie wpadają do następnego, podczas dokładnego mieszania w każdym zbiorniku. Chociaż skład mieszaniny jest jednorodny w każdym pojedynczym zbiorniku, stężenie w układzie jako całości zmienia się od pojemności do pojemności.

Średni czas, który jest dyskretnyilość odczynnika znajdującego się w zbiorniku (czas przebywania) można obliczyć po prostu dzieląc objętość zbiornika przez średnie objętościowe natężenie przepływu przez nią. Oczekiwany procent ukończenia reakcji oblicza się za pomocą kinetyki chemicznej.

Pojemniki są wykonane ze stali nierdzewnej lub stopów, a także z powłoką emaliową.

pionowa stal w zbiorniku

Niektóre ważne aspekty HPM

Wszystkie obliczenia są wykonywane z uwzględnieniem ideałumieszanie. Reakcja przebiega z szybkością związaną z końcowym stężeniem. W stanie równowagi prędkość przepływu musi być równa prędkości przepływu, w przeciwnym razie zbiornik przepełni się lub opróżni się.

Często opłaca się pracować z kilkomasekwencyjne lub równoległe HPM. Zbiorniki ze stali, montowane w kaskadzie pięciu lub sześciu jednostek, mogą zachowywać się jak reaktor z przepływem tłokowym. To pozwala pierwszemu urządzeniu pracować z wyższym stężeniem odczynników, a zatem wyższą szybkością reakcji. Ponadto, kilka etapów HPM może być umieszczonych w pionowym stalowym zbiorniku, zamiast procesów zachodzących w różnych pojemnościach.

W wersji poziomej jednostka wielostopniowa jest podzielona pionowymi przegrodami o różnych wysokościach, przez które mieszanina wchodzi do kaskad.

Gdy odczynniki są słabo wymieszane lub znaczącoróżnią się gęstością, pionowy wielostopniowy reaktor (emaliowany lub stal nierdzewna) jest używany w trybie przeciwprądowym. Jest to skuteczne przy przeprowadzaniu reakcji odwracalnych.

Mała warstwa pseudopłynna jest całkowiciemieszane. Duży reaktor ze złożem fluidalnym ma praktycznie jednolitą temperaturę, ale łączy w sobie przepływ mieszany i przemieszczony oraz stany przejściowe między nimi.

Zbiorniki ze stali nierdzewnej

Reaktor chemiczny o idealnym przemieszczeniu

PFR to reaktor (nierdzewny), w którym jedenlub więcej ciekłych odczynników pompuje się przez rurę lub rury. Nazywane są również przepływem rurkowym. Może mieć kilka rur lub rurek. Odczynniki są stale dostarczane z jednego końca, a produkty wychodzą z drugiego. Proces chemiczny przebiega w miarę przechodzenia mieszaniny.

W RPP szybkość reakcji to gradient: na wlocie jest bardzo wysoki, ale ze zmniejszeniem stężenia odczynników i wzrostem zawartości produktów wydajności, jego prędkość spada. Zwykle osiąga się stan dynamicznej równowagi.

Zarówno pozioma, jak i pionowa orientacja reaktora są powszechne.

Gdy wymagane jest przenoszenie ciepła, poszczególne rury umieszcza się w płaszczu lub stosuje się wymiennik ciepła typu płaszczowo-rurowego. W tym drugim przypadku substancje chemiczne można znaleźć zarówno w osłonach, jak i w rurze.

Zbiorniki metalowe o dużej pojemności zdysze lub wanny są podobne do PPP i są szeroko stosowane. W niektórych konfiguracjach stosuje się przepływ osiowy i promieniowy, wiele powłok z wbudowanymi wymiennikami ciepła, poziome lub pionowe położenie reaktora i tak dalej.

Pojemnik z odczynnikiem może być wypełniony katalitycznymi lub obojętnymi cząstkami stałymi w celu polepszenia kontaktu międzyfazowego w reakcjach heterogenicznych.

Ogromne znaczenie w RFP ma to w obliczeniachuwzględnia się mieszanie pionowe lub poziome - wynika to z określenia "przepływ tłoków". Reagenty mogą być wprowadzane do reaktora nie tylko do wlotu. W ten sposób można osiągnąć wyższą efektywność PFR lub zmniejszyć jego wielkość i koszt. Wydajność PFR jest zwykle wyższa niż wydajność HPM o tej samej objętości. Przy równych wartościach objętości i czasu w reaktorach tłokowych, reakcja będzie miała wyższy procent ukończenia niż w mieszalnikach.

reaktor ze stali nierdzewnej

Balans dynamiczny

W przypadku większości procesów chemicznych jest to niemożliweosiągnąć 100% ukończenia. Ich prędkość spada wraz ze wzrostem tego wskaźnika aż do momentu, w którym układ osiągnie dynamiczną równowagę (gdy nie nastąpi całkowita reakcja lub zmiana składu). Punkt równowagi dla większości systemów znajduje się poniżej 100% zakończenia procesu. Z tego powodu proces oddzielania, taki jak destylacja, jest niezbędny do oddzielenia pozostałych odczynników lub produktów ubocznych od celu. Odczynniki te można czasami ponownie wykorzystać na początku procesu, na przykład w procesie Habera.

Zastosowanie PPP

Reaktory przepływu tłokowego są używane dlachemiczna konwersja związków podczas ich ruchu przez system przypominający rury, w celu uzyskania reakcji na dużą skalę, szybkich, homogenicznych lub heterogenicznych, ciągłej produkcji i procesów z wydzielaniem dużej ilości ciepła.

Idealna RPP ma ustalony czas przebywania, to znaczy, jakikolwiek płyn (tłok) przybywający w czasie t opuści go w czasie t + τ, gdzie τ jest czasem przebywania w obiekcie.

Reaktory chemiczne tego typu posiadająwysoka wydajność przez długi czas, a także doskonały transfer ciepła. Wadami PPP jest trudność w monitorowaniu temperatury procesu, co może prowadzić do niepożądanych zmian temperatury, a także ich wyższych kosztów.

Zbiorniki ze stali nierdzewnej

Reaktory katalityczne

Chociaż agregaty tego typu są często realizowane wWymagają one bardziej skomplikowanej konserwacji. Szybkość reakcji katalitycznej jest proporcjonalna do ilości katalizatora w kontakcie z chemikaliami. W przypadku stałego katalizatora i ciekłych odczynników szybkość procesów jest proporcjonalna do dostępnego obszaru, wkładu chemikaliów i doboru produktów, i zależy od obecności turbulentnego mieszania.

Reakcja katalityczna jest w rzeczywistości często reakcją wielostopniową. Nie tylko początkowe reagenty oddziałują z katalizatorem. Niektóre produkty pośrednie reagują z nim.

Zachowanie katalizatorów jest również ważne w kinetyce tego procesu, zwłaszcza w reakcjach petrochemicznych wysokotemperaturowych, ponieważ są one dezaktywowane przez spiekanie, koksowanie i podobne procesy.

Zastosowanie nowych technologii

PFR są wykorzystywane do konwersji biomasy. W doświadczeniach stosuje się reaktory wysokociśnieniowe. Ciśnienie w nich może osiągnąć 35 MPa. Zastosowanie kilku rozmiarów umożliwia zmianę czasu przebywania z 0,5 na 600 s. Aby osiągnąć temperaturę powyżej 300 ° C, stosuje się reaktory z ogrzewaniem elektrycznym. Dostawę biomasy wykonuje się za pomocą pomp HPLC.

reaktory wysokociśnieniowe

PFR nanocząstek aerozoli

Istnieje duże zainteresowanie syntezą izastosowanie nanocząstek do różnych celów, w tym stopów wysokostopowych i grubowarstwowych przewodów dla przemysłu elektronicznego. Inne zastosowania obejmują pomiary podatności magnetycznej, transmisji w dalekiej podczerwieni i jądrowego rezonansu magnetycznego. W przypadku tych systemów konieczne jest wytwarzanie cząstek o kontrolowanej wielkości. Ich średnica z reguły mieści się w zakresie od 10 do 500 nm.

Ze względu na ich rozmiar, kształt i wysoką specyfikęPowierzchnia tych cząstek można stosować do wytwarzania pigmentów kosmetycznych, membrany, katalizatorów, materiałów ceramicznych, katalitycznych i fotokatalitycznych reaktorów. Przykłady zastosowania nanocząstek obejmują sno2 dla czujników tlenku węgla, TiO2 dla włókien optycznych, SiO2 dla koloidalnego ditlenku krzemu i optycznegowłókna, C dla wypełniaczy węglowych w oponach, Fe dla materiałów do zapisu, Ni dla baterii oraz, w mniejszych ilościach, pallad, magnez i bizmut. Wszystkie te materiały są syntetyzowane w reaktorach aerozolowych. W medycynie nanocząsteczki są stosowane do zapobiegania i leczenia infekcji ran, sztucznych implantów kości, a także do wizualizacji mózgu.

Przykład produkcji

Aby uzyskać cząstki aluminium, przepływ argonu,nasycone oparami metali, jest schładzane w PPR o średnicy 18 mm i długości 0,5 m od temperatury 1600 ° C z szybkością 1000 ° C / s. Gdy gaz przechodzi przez reaktor, następuje tworzenie i wzrost cząstek aluminium. Natężenie przepływu wynosi 2 dm3/ min, a ciśnienie wynosi 1 atm (1013 Pa). Gdy gaz przemieszcza się, gaz ochładza się i staje się przesycony, co prowadzi do zarodkowania cząstek w wyniku zderzeń i parowania cząsteczek, powtarzanych aż do momentu, w którym cząsteczka osiągnie krytyczną wielkość. W miarę przesuwania się przez przesycony gaz cząsteczki aluminium kondensują się na cząstkach, zwiększając ich rozmiar.

  • Ocena: